Реконструкция распределения собственных деформаций и остаточных напряжений по толщине бруса методом разрезания

Продемонстрировано применение метода разрезания для оценки распределения остаточных напряжений по толщине линейного элемента, вырезанного из металлической конструкции с непрерывно распределенными собственными деформациями, когда методы травления, сверления отверстий и рентгеновской дифракции могут дать лишь ограниченную информацию. В качестве объектов исследования рассмотрены: брус размером 250 × 25 × 10 мм из алюминиево-магниевого сплава, одна узкая грань которого подвергнута точечной обработке давлением; ребро размером 150 × 25 × 10 мм из аустенитной нержавеющей стали, возведенное на основании проволочно-дуговой наплавкой; листовая низколегированная сталь толщиной 14 мм с бейнито-перлитной структурой, подвергнутая градиентной механотермической обработке. Используемый метод заключался в следующем. Из бруса, вырезанного из заготовки, электроэрозионным способом нарезали полосы толщиной 1 мм нормально координате, вдоль которой была неоднородно распределена мембранная компонента остаточных напряжений. Далее измеряли прогибы полос и по этим данным реконструировали распределения искомой компоненты остаточных напряжений и несовместной части собственных деформаций, порождающей эти остаточные напряжения, по соотношениям, полученным авторами ранее. Во всех исследуемых случаях метод показал достаточно хорошую разрешимость и выявил технологически важные различия распределений остаточных напряжений по высоте ребра, возведенного проволочно-дуговой наплавкой с послойной проковкой и без нее, а также по толщине листа, подвергнутого одностороннему быстрому охлаждению с пластическим изгибом в одну или другую сторону и без изгиба. Метод не требует специального лабораторного оборудования, а использованный способ резания минимально воздействует на материал, для внутренних полос — симметрично с обеих сторон. В качестве дополнительных данных использованы значения поверхностных остаточных напряжений, полученные методом сверления отверстий.

1. Birger I. A. Residual Stresses. — Moscow: Mashgiz, 1963. — 233 p. [in Russian].

2. Pavlov V. F., Kirpichev V. A., Vakuluk V. S. Prediction of fatigue resistance of surface-hardened parts based on residual stresses. — Samara: Izd. SNTs RAN, 2012. — 125 p. [in Russian].

3. Makhutov N. A., Razumovskii I. A., Kosov V. S., et al. Study of residual stresses using electron digital speckle interferometry in full-scale conditions / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2008. Vol. 74. No. 5. P. 47 – 51 [in Russian].

4. Schajer G. S. Advances in hole-drilling residual stress measurements / Experimental Mechanics. 2010. Vol. 50. No. 2. P. 159 – 168. DOI: 10.1007/s11340-009-9228-7

5. Makhutov N. A., Razumovskii I. A. Methods for analyzing residual stress fields in spatial details / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2017. Vol. 83. No. 1. Part 1. P. 56 – 64 [in Russian].

6. Korsunsky A. M. A teaching essay on residual stresses and eigenstrains. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017. — 197 p.

7. Kalokoutzky N. V. An Investigation into the Internal Stresses Occurring in Cast Iron and Steel. — St. Petersburg: A. M. Wolf, 1887. — 127 p. [in Russian].

8. Davidenkov N. N. Bending deflection method / Zeitschrift fur Metallkunde. 1932. Vol. 24. No. 2. P. 25 – 29.

9. Sachs G., Espey G. A new method for determination of stress distribution in thin-walled tubing / Transactions of the AIME. 1942. Vol. 147. P. 348 – 360.

10. US Pat. 2015/0219444, B23K 26/34, B22F 3/105. Method and Apparatus for Determining Residual Stresses of a Component / Bamberg J., Hessert R.; applicant MTU Aero Engines AG. — DE 102014202020.4; appl. 05.02.2014, publ. 06.08.2015.

11. Tebedge N., Alpsten G., Tall L. Residual-stress measurement by the sectioning method / Experimental Mechanics. 1973. Vol. 13. No. 2. P. 88 – 96.

12. Withers P. J., Bhadeshia H. K. D. H. Residual stress. Part 1. Measurement techniques / Materials Science and Technology. 2001. Vol. 17. No. 4. P. 355 – 365. DOI: 10.1179/026708301101509980

13. Rossini N. S., Dassisti M., Benyounis K. Y., Olabi A. G. Methods of measuring residual stresses in components / Materials and Design. 2012. Vol. 35. P. 572 – 588. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.08.022

14. Sherman D. R. Residual stress measurement in tubular members / ASCE Journal of Structural Division. 1969. Vol. 95. No. ST4. P. 635 – 648.

15. Cruise R. B., Gardner L. Residual stress analysis of structural stainless steel sections / Journal of Constructional Steel Research. 2008. Vol. 64. No. 3. P. 352 – 366. DOI: 10.1016/j.jcsr.2007.08.001

16. US Pat. 1638425A, G01B 5/30. Strain Gauge / Whittemore H. L. — Appl. No. US 74516; appl. 10.12.1925, publ. 09.08.1927. US Pat. Office 1638425.

17. RU Pat. 2797771, G01N 3/20. Method for determining residual stresses in a rib on a rigid base / Keller I. E., Petukhov D. S., Dudin D. S., Permiakov G. L., Trushnikov D. N.; proprietor Perm Nat. Res. Polytech. Univ. — No. 2022133445; appl. 20.12.2022; publ. 08.06.2023. Byull. No. 16 [in Russian].

18. Petukhov D., Keller I. Exact reconstruction formulas for plastic strain distribution in the surface-treated plate and their applications / Acta Mechanica. 2020. Vol. 231. P. 1849 – 1866. DOI: 10.1007/s00707-020-02625-7

19. Olshanskaya T., Trushnikov D., Dushina A., et al. Microstructure and properties of the 308l SI austenitic steel produced by plasma-MIG deposition welding with layer-by-layer peening / Metals. 2022. Vol. 12. No. 1. DOI: 10.3390/met12010082

20. RU Pat. 2790243, C21D 8/02. Method for deformation and heat treatment of flat steel / Maksimov A. B., Pronina Yu. G., Erokhina I. S.; proprietor Kerch Gov. Marine Technol. Univ. — No. 2022100467; appl. 11.01.2022; publ. 15.02.2023. Byull. No. 5 [in Russian].